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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 적용성이 뛰어난 해석적 설계 기법을 이용하여 최적의 광학적 특성을 갖는 도트 패턴을 얻고자 한다. 또한 다양한 설계 요구 사항을 가진 중소형 LCD 제품의 백라이트 유닛용 도광판 설계에 능동적으로 대처할 수 있는 설계 방법론을 구축하고자 한다.
- 따라서 본 연구에서는 적용성이 뛰어난 해석적 설계 기법을 이용하여 최적의 광학적 특성을 갖는 도트 패턴을 얻고자 한다. 또한 다양한 설계 요구 사항을 가진 중소형 LCD 제품의 백라이트 유닛용 도광판 설계에 능동적으로 대처할 수 있는 설계 방법론을 구축하고자 한다.
- 본 연구에서는 휴대용 LCD 제품의 평균 조도와 균일도를 높이기 위한 설계를 수행하였다. 설계 요구 조건을 만족시키기 위하여 in-coupling 파트의 serration 의 높이, 폭, 피치와, dot pattern 의 밀도를 설계 변수로 하여 최적화를 수행하였다.
제안 방법
- 광선추적법은 난수 생성을 통해 광선의 방향을 임의로 결정한 후, LED 에서 나오는 빛의 경로를 추적하여 광학적 성능을 추정하는 기법으로, 광선의 수를 크게 설정할수록 해석의 정확도는 높아진다. 본 연구에서 고려하는 광학적 특성은 빛의 밝기의 일종인 조도(illuminance)이며, 단위는 lux 이다.
- 본 연구에서는 광학적 성능을 정량화 하기 위하여 평균 조도(Average illuminance)와 균일도 (Uniformity)의 두 가지 개념을 도입한다. 균일도는 발광 영역에서 조도의 균일함을 나타내는 지표이며, 평균 조도는 LCD 모듈의 평균적인 밝기를 나타낸다.
- In-coupling 파트의 serration 은 원형, 톱니형을 비롯한 다양한 형상으로 나타낼 수 있지만, 가공성을 고려하여 톱니형이 가장 많이 사용 된다. 따라서 본 연구에서는 톱니형 serration 의 형상을 나타낼 수 있는 세가지 파라미터인 톱니의 높이, 폭, 그리고 톱니 간 피치를 in-coupling 파트의 설계 변수로 고려한다. Serration 의 형상과 관련된 변수는 Fig.
- Oup-coupling 파트를 이루는 dot pattern 에 포함된 dot 의 개수는 약 20 만 개 정도이며, 이에 대한 좌표를 모두 설계 변수로 사용하는 것은 불가능하다. 따라서 LGP 를 몇 개의 영역(Partition)으로 나누고 각각의 영역에 대한 dot pattern 의 밀도를 설계 변수로 사용하였다. 이러한 접근 방법을 밀도 기반 설계 기법(Density-based approach)라 한다.
- 그런데 이러한 방법은 dot 의 반지름이 각 영역마다 달라서 가공비의 증가를 초래 한다. 따라서 본 연구에서는 dot 의 크기를 고정하고 개수를 변화시켜 밀도를 조정함으로써, 가공비 증대를 방지하였다. 또한 원형 dot 보다 효율이 좋다고 알려진 타원형 dot 을 사용하였다.
- 따라서 본 연구에서는 dot 의 크기를 고정하고 개수를 변화시켜 밀도를 조정함으로써, 가공비 증대를 방지하였다. 또한 원형 dot 보다 효율이 좋다고 알려진 타원형 dot 을 사용하였다.
- 한편 in-coupling 파트의 설계를 통해 광원과 평행한 방향에 대한 균일도 확보가 가능하므로, 본 연구에서는 광원에 수직한 방향에 대한 밀도만을 설계 변수로 고려할 수 있다. 따라서 최종적으로 out-coupling 파트를 광원과 수직한 방향에 따라 10개의 영역으로 구분하여, 각각의 dot pattern의 밀도를 설계 변수로 설정한다. Out-coupling 파트에 대한 설계 변수는 Fig.
- 본 연구에서 고려하는 성능 조건은 앞서 설명한 LCD 모듈의 평균 조도와 균일도이다. 이 중 업계에서 제한하는 기준이 있는 균일도를 최적 설계의 제한 조건으로, 평균 조도를 최대화하여야 할 목적 함수로 설정하였다. 또한 4.
- 이 중 업계에서 제한하는 기준이 있는 균일도를 최적 설계의 제한 조건으로, 평균 조도를 최대화하여야 할 목적 함수로 설정하였다. 또한 4.1 절에서 자세히 설명하였던 serration 의 형상에 관한 변수 3 개와 out-coupling 파트에 10 개로 분할된 영역의 밀도를 설계 변수로 고려하였다. 이상을 정리하여 정식화하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 최적화 기법을 통해 in-coupling 파트의 serration 형상과 out-coupling part 의 dot pattern 밀도를 적절하게 조절함으로써, 균일도를 대폭 상승시킨 설계 해를 얻을 수 있었다. 최적화 결과를 살펴보면, 설계 변수의 변화는 크지 않으나, 성능은 큰 폭으로 변화하는 것을 알 수 있다.
- 본 연구에서는 휴대용 LCD 제품의 평균 조도와 균일도를 높이기 위한 설계를 수행하였다. 설계 요구 조건을 만족시키기 위하여 in-coupling 파트의 serration 의 높이, 폭, 피치와, dot pattern 의 밀도를 설계 변수로 하여 최적화를 수행하였다. 본 연구에서 사용되는 시뮬레이션은 수치적 노이즈를 포함하고 있고, 설계 변수의 변화에 시뮬레이션 결과가 민감한 특징이 있다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 휴대폰에 주로 사용되는 2.2 inch 측면형 LCD 모델을 설계의 대상으로 한다. 해당 모델은 4 개의 LED 를 광원으로 가지고 있다.
- 본 연구에서는 LGP 의 in-coupling 파트의 serration 형상과 dot pattern 의 배열을 설계 대상으로 고려한다. In-coupling 파트의 serration 은 원형, 톱니형을 비롯한 다양한 형상으로 나타낼 수 있지만, 가공성을 고려하여 톱니형이 가장 많이 사용 된다.
이론/모형
- 본 연구에서는 LCD 제품 모듈의 광학적 성능을 해석하기 위하여 광학 시뮬레이션 툴인 SPEOS 를 사용하였다. SPEOS 는 시스템의 형상과 재질 및 재료의 광학적 특성 등을 정의한 후, 광선추적법(Ray tracing technique)1 을 이용하여 시스템의 광학적 특성을 해석한다.
- 본 연구에서 사용하는 시뮬레이션 툴인 SPEOS 는 무작위적으로 이뤄지는 광선추적법을 이용하여 시뮬레이션을 수행한다. 또한 영역의 밀도가 결정되면 그에 해당하는 dot 의 개수를 계산하고, 그에 따라 내부의 dot 위치를 임의로 결정한다.
- 따라서 이와 같은 불확정성으로 인해 시뮬레이션 결과에는 수치적 노이즈(Noise)가 포함되어 있을 가능성이 높으며, 이 경우 주로 유한차분법(Finite defference method)으로 계산되는 해석 결과의 민감도(Sensitivity)를 이용하여 설계를 개선하는 국지적 최적화 기법(Local optimization technique)을 적용하면 최적의 설계해 에 수렴하지 못할 수도 있다. 따라서 본 연구에서는 최적화 기법으로 PQRSM(Progressive Quadratic Response Surface Modeling)3 을 사용하였다. PQRSM 은 순차적 근사 최적화 기법의(Sequential approximate optimization algorithm)의 하나로써, 신뢰 영역 개념(Trust region concept)과 반응표면모델(Response Surface Model; RSM)을 사용한다.
- 설계 변수의 초기 값은 업계에서 이용되는 초기 개발 단계의 규격을 사용하였다. 초기 모델은 평균 조도가 2241 lx 이고 균일도가 38%로, 주어진 성능 조건을 만족하지 못하였다.
- 본 연구에서 사용되는 시뮬레이션은 수치적 노이즈를 포함하고 있고, 설계 변수의 변화에 시뮬레이션 결과가 민감한 특징이 있다. 따라서 이러한 경우에 대해서도 효과적이고 효율적으로 최적화를 수행할 수 있는 근사 최적화 기법인 PQRSM 을 사용하였다. 설계의 모든 과정은 PIDO 툴의 일종인 PIAnO5 를 이용하여 진행되었다.
- 따라서 이러한 경우에 대해서도 효과적이고 효율적으로 최적화를 수행할 수 있는 근사 최적화 기법인 PQRSM 을 사용하였다. 설계의 모든 과정은 PIDO 툴의 일종인 PIAnO5 를 이용하여 진행되었다. 최적 설계 결과, 평균 조도는 초기 설계에 대비하여 2241 lx 에서 2319 lx 로, 균일도는 38 %에서 82 %로 향상되었다.
성능/효과
- 균일도는 발광 영역에서 조도의 균일함을 나타내는 지표이며, 평균 조도는 LCD 모듈의 평균적인 밝기를 나타낸다. 균일도와 평균 조도가 높을수록 LCD 모듈의 광학적 성능은 좋을 것으로 판단할 수 있다. 균일도와 평균 조도를 측정하기 위하여 BLU 의 발광 영역을 20 x 20 으로 나눈다.
- 초기 모델은 평균 조도가 2241 lx 이고 균일도가 38%로, 주어진 성능 조건을 만족하지 못하였다. PQRSM 을 이용하여 최적화를 수행한 결과는 평균 조도가 2319 lx, 균일도가 82%로, 제한 조건을 만족하면서 평균 조도 또한 초기 값에 비해 더 좋은 해를 찾을 수 있었다. Serration 형상에 대한 변수의 변화 량은 Fig.
- 본 연구에서는 최적화 기법을 통해 in-coupling 파트의 serration 형상과 out-coupling part 의 dot pattern 밀도를 적절하게 조절함으로써, 균일도를 대폭 상승시킨 설계 해를 얻을 수 있었다. 최적화 결과를 살펴보면, 설계 변수의 변화는 크지 않으나, 성능은 큰 폭으로 변화하는 것을 알 수 있다. 이러한 특징으로부터 본 설계 문제의 성능 조건들은 설계 변수에 매우 민감함을 알 수 있다.
- 설계 요구 조건을 만족시키기 위하여 in-coupling 파트의 serration 의 높이, 폭, 피치와, dot pattern 의 밀도를 설계 변수로 하여 최적화를 수행하였다. 본 연구에서 사용되는 시뮬레이션은 수치적 노이즈를 포함하고 있고, 설계 변수의 변화에 시뮬레이션 결과가 민감한 특징이 있다. 따라서 이러한 경우에 대해서도 효과적이고 효율적으로 최적화를 수행할 수 있는 근사 최적화 기법인 PQRSM 을 사용하였다.
- 설계의 모든 과정은 PIDO 툴의 일종인 PIAnO5 를 이용하여 진행되었다. 최적 설계 결과, 평균 조도는 초기 설계에 대비하여 2241 lx 에서 2319 lx 로, 균일도는 38 %에서 82 %로 향상되었다. 본 연구의 결과는 다양한 규격을 가진 LCD 제품의 광학적 성능의 개선에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
후속연구
- 최적 설계 결과, 평균 조도는 초기 설계에 대비하여 2241 lx 에서 2319 lx 로, 균일도는 38 %에서 82 %로 향상되었다. 본 연구의 결과는 다양한 규격을 가진 LCD 제품의 광학적 성능의 개선에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 실제 제작 공정에서 발생하는 설계 제한 조건들을 면밀히 검토하여 설계 요구 조건에 추가하고, 시뮬레이션의 결과가 실제 실험 결과와 유사한 경향을 보이도록 한다면, 본 연구의 실용성을 더욱더 높일 수 있을 것이다.
- 본 연구의 결과는 다양한 규격을 가진 LCD 제품의 광학적 성능의 개선에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 실제 제작 공정에서 발생하는 설계 제한 조건들을 면밀히 검토하여 설계 요구 조건에 추가하고, 시뮬레이션의 결과가 실제 실험 결과와 유사한 경향을 보이도록 한다면, 본 연구의 실용성을 더욱더 높일 수 있을 것이다.
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